生命物質終端及生物學功能

梁愈

摘 要 闡述了生物學中有關生命物質、結構及生命過程的終端及其生物學功能，強調了終端知識點在學生認知過程中的作用。

關鍵詞 生物學教學 生命物質 終端

中圖分類號 Q-49 文獻標志碼 E

在生物學知識體系中，某些生命物質的終端對于生命活動的順利實施起著關鍵性、決定性的作用。因此，在教學中強化終端知識的教學是十分必要的。

1 神經末梢

神經末梢是神經細胞的終端，這里存在著突觸小泡，突觸小泡中含有化學遞質，化學遞質通過突觸小泡與突觸前膜結合，將化學遞質釋放到突觸間隙，然后作用于突觸后膜或效應器細胞的受體，并使突觸后神經元或效應器細胞產生一定的效應。若實現上述過程一般要具備以下條件：① 突觸前神經元內含有合成該遞質的前體物質和酶系統。② 貯藏于突觸小泡內，當神經沖動傳導到神經末梢時，能夠釋放并進入突觸間隙。③ 經突觸間隙作用于突觸后膜，使后膜上的特異性受體發揮其生理作用。④ 存在使該遞質滅火的酶或其他失活方式。⑤ 有特異性的受體激動劑或阻斷（拮抗）劑，能分別模擬或阻斷相應遞質的突觸傳遞作用。神經末梢釋放出的化學遞質一方面能夠使神經沖動繼續傳遞下去，另一方面也能夠使神經沖動終止。而沖動繼續傳遞還是終止，與神經末梢釋放的遞質有關。神經遞質分類標準較多，僅從對下一個神經元或效應器細胞發生的效應上看，可將遞質分為興奮性遞質和抑制性遞質。前者能夠使神經沖動繼續延續下去，后者則使沖動阻止，但無論使下一個神經元或效應器細胞興奮還是抑制，都能夠使人及動物產生一定的動作行為，而這種行為的產生不能不說與神經末梢有關。

2 牧食食物鏈的頂級營養級

人類在利用和改造自然過程中，不可避免地會向生態系統排放一些有毒有害物質，這些物質通過富集作用，積累在食物鏈終端的生物體上。食物鏈不僅是能量流動和物質循環的通道，也是殺蟲劑和各種有毒有害物質移動的濃縮通道。殺蟲劑如DDT，其化學名為雙對氯苯基三氯乙烷，在20世紀上半葉防止農業蟲害、減輕瘧疾、傷寒等蚊蠅傳播的疾病中起了不小的作用。但到20世紀60年代，科學家發現DDT在環境中很難分解，而且殺蟲的效率又很低，嚴重地污染了環境，通過食物鏈的富集作用，可在動物的脂肪中積累。研究表明，在南極企鵝的血液中也發現了DDT的蹤影，由于鳥類體內含有DDT，導致了產生而不能孵化的軟蛋。有毒物質進入生態系統后，就會沿著食物鏈在生物體內富集濃縮，越是后面的營養級，生物體內的有毒物質的殘留濃度就越高。這種有毒物質在生物體內高度富集，導致危害的現象稱為生物放大（擴大作用）。生物個體或處于同一營養級的生物種群，從周圍環境中吸收并積累某種元素或難分解的化合物，導致生物體內該物質的平衡濃度超過環境中濃度的現象，這是生物的富集作用。由此看出，越是食物鏈的頂端特別是終端，其有毒有害物質物質的濃度就越大，食物鏈的頂端的濃度最大。當動物體內積累的DDT達到一定數量時，DDT的毒性就開始顯現，并且造成嚴重的生理傷害。這種傷害對鳥類尤其嚴重，這是因為鳥類體重相對較輕而捕食量較大，這樣就容易引起DDT在體內富集，從而導致慢性中毒甚至出現下一代的畸變。

3 多肽鏈的氮端和碳端

肽鏈的終端含有游離的α-氨基和游離的α-羧基，它們可以像游離的氨基酸那樣進行離子化。雖然肽鏈中氨基酸殘基的羧基和氨基大都用于形成肽鍵，但其中有些氨基酸的側鏈R基團仍然可以離子化。所以，多肽可解離的R基團和兩個末端基團，可決定多肽的酸堿性質，NH2能夠結合一個H質子轉變成NH3+，而COOH能夠釋放出一個H質子，轉變成為COO-。凡是能夠結合一個H質子的物質表現為酸性，能夠釋放出H質子的物質表現為堿性。因此，多肽終端的NH2和COOH就決定了多肽的化學性質。

4 高等植物莖的尖端

小麥、水稻、玉米等禾本科植物，以及棉花、蘋果等雙子葉植物穗分化的過程，都是從莖的生長錐伸長開始的。春花和光周期影響著生長錐的形態變化，這在小麥、水稻等作物的研究中得到了證明。研究表明，小麥在春化過程結束時，生長錐的形態并無變化，只有進入光周期誘導時，生長錐才開始伸長。生長錐的表面一層或數層細胞分裂加速，細胞小且細胞質較濃，中部的一些細胞則分裂速率減慢，細胞體積變大，細胞質相對稀薄，有的出現了液泡。生長錐表面的細胞具有較高含量的蛋白質和RNA。研究還表明，用抗核酸化合物5-氟尿嘧啶（5-FU），在蒼耳暗期的起初8 h時施于芽部，可抑制RNA的合成，也抑制了開花，這個實驗也說明了花的分化與DNA→RNA→蛋白質系統的活化有關。之后，由于表層分生細胞迅速分裂，使生長錐表面出現皺褶，在原來形成葉原基處形成了花原基，在花原基上再分化出花各部分的原基。

5 細胞結構的外表面

糖蛋白主要位于真核生物的細胞膜上。在動物細胞中，糖蛋白是糖萼的主要成分。在植物細胞中，主要是由糖脂構成膜包被。膜糖在細胞的生命活動中具有重要作用，可提高膜的穩定性，增強膜蛋白對細胞外基質中蛋白酶的抗性，幫助膜蛋白進行正確的折疊和維持正確的三維構型。糖膜的重要功能之一是參與信號的識別，這是因為在細胞膜的外表面存在某些化學信號的受體。如溶酶體的酶蛋白都有1個6-磷酸甘露糖的標記，這樣便于被識別和被分選裝入溶酶體小泡。又比如，細胞表面還有凝集素，也參與細胞的識別。由于凝集素可與細胞表面的糖蛋白、蛋白多糖、糖脂結合，且不同凝集素識別糖基的不同特異序列，發生特異性的結合，因此，在細胞生物學中被廣泛用于定位和分離各種糖的細胞膜分子。另外，細胞膜外表面除了糖蛋白外還存在糖脂，它是某化學物質的受體，如霍亂毒素受體、百日咳毒素受體等。有的受體是由糖蛋白和糖脂共同組成的復合物，如促甲狀腺激素受體等。受體是一種接受信息的分子，信號分子則是配體，通過配體與受體間的特異性結合才能進行有效識別，以進行細胞間通訊。

6 遺傳信息表達的終端

遺傳信息表達的終端是蛋白質。按照中心法則，遺傳信息的傳遞過程為：DNA→mRNA→蛋白質。DNA分子中蘊藏著大量的遺傳信息，這些遺傳信息其本質是具有一定結構，有著遺傳效應的脫氧核苷酸序列，mRNA分子中存在著遺傳密碼，其本質是一定結構的核苷酸序列，它是遺傳信息在mRNA中的表現形式，由DNA轉譯來的。遺傳密碼又可指導一定順序氨基酸的蛋白質形成。在DNA→mRNA→蛋白質這個信息鏈中，DNA為首端，RNA為中端，蛋白質為終端。結構蛋白中主要包括運輸蛋白、結構單位蛋白、抗體和受體等；功能蛋白中主要是酶和部分激素。這個終端的主要功能是：

運輸 脊椎動物及人的血液中，含有一種血紅蛋白，它的特性是容易與氧結合也容易與氧分離。血液通過肺部時，血紅蛋白與氧結合。血液返回心臟流向全身其余部分時，血紅蛋白與氧分離，將結合的氧釋放出來，以供給各種組織利用。另外，細胞膜上還有載體蛋白，它可將細胞需要的物質運輸進來，將細胞不需要的代謝廢物運送出細胞外。

防御 細胞器是由較小的亞基構成，這些亞基大都是蛋白質。亞基以一定的方式配搭起來，從而決定了總的形狀，使它們能夠執行特定的功能。抗體：脊椎動物和人體中，一種外來的蛋白質、多糖或核酸進入血液，帶到淋巴結核脾臟，就產生一種特定的蛋白質——抗體。由于抗體獨特的結構及化學組成，可辨認出外來分子并與之結合，身體運用這個系統作為一種防御機制，來防止病菌、病毒的侵入。

識別 前面已經談及，在細胞膜及細胞內存在著受體，它們是大分子的蛋白質，能夠特異性地與一定的活性物質相結合，產生特定的生理效應。

催化 細胞每進行一項工作，都包括一系列錯綜復雜的化學變化，一個反應的產物則是另一個反應的底物。這些化學反應進行的速率很快，一個活細胞中進行著幾千種生化反應，這是因為酶的催化作用。

調節 激素中的一部分是蛋白質。如生長激素、促甲狀腺素、促性腺素、胰島素、促性腺激素釋放激素、促腎上腺激素釋放激素等。這些物質的量很少，作用相當大，對人及動物的新陳代謝、生長發育及生殖等生命活動起著重要的調節作用。過多過少都會造成不正常的代謝，使機體處于病態。以甲狀腺素為例，如果甲狀腺機能亢進，會造成人及動物的興奮性增強，易激動，睡眠減少；當甲狀腺激素不足時，使胎兒出生后數周至3或4個月，明顯地出現智力低下，生長停滯，形成呆小癥。

7 反射弧的終端

效應器是反射弧的終端，具有收縮和分泌的功能。一個反射弧的產生要由感受器接受體內外刺激產生神經沖動，神經沖動經感覺神經纖維傳入中樞神經系統的腦或脊髓，通過中間神經元將神經沖動傳遞給運動神經元，經運動神經纖維傳遞給效應器，產生反應。效應器包括骨骼肌、平滑肌和各種腺體。骨骼肌是附著于骨骼上的橫紋肌肉，每一個動作都是由多塊肌肉協調收縮來完成的。而肌肉的協調是通過神經系統來完成的。皮膚肌是位于皮膚之下，與皮膚相連的橫紋肌（也稱表情肌），它收縮可使人產生喜怒哀樂等表情。色素細胞也是一種效應器，是很多動物合成體色變化的最后一站。有些動物的體色隨著外界環境的變化而變化，這一變化的實質也是神經反射過程，通過反射弧實現。如烏賊等頭足類動物在不同環境中身體發生相應的顏色變化以求得保護。色素細胞得到神經或激素的信息時，在ATP的參與下，色素若分散在細胞質中，則使動物的體色變深；也可以收縮在中央，使動物的體色變淺。運動神經末梢與腺體結合形成的效應器，當神經沖動傳遞到腺體時，便造成腺體收縮使其分泌某種化學物質，用于某種生理活動。

8 群落演化的終端

群落的演替自裸巖、沙丘和湖底開始，一直發展到茂密的森林群落，這要經歷一個漫長的時間才能得以實現。群落演替并非是一個永恒延續的過程，當一個群落演替到與當地的氣候和土壤條件處于平衡狀態時，演替便不再進行。在此平衡點上，群落的結構最復雜、最穩定。如果無外力干擾，它將永遠保持原狀。這就是頂極群落，頂極群落是群落演替的終端，其功能在于使得群落處于相對穩定的狀態，它是群落發展到一定階段的產物。例如，美國的密執安湖沙丘上的演替。著名植物群落學家Cowles在1899年進行了最早的植物演替研究，動物群落學家Shelford于1913年進行了動物演替研究。后來Olson于1958年重新研究了沙丘演替系列，并提供了有關演替過程和速度的有關數據。他們的研究認為，沙丘上的先鋒植物，是由一些先鋒植物（Ammophila Agropyron等）和無脊椎動物（如虎甲、穴蛛和蝗蟲等）構成。隨著沙丘暴露時間的延長，它上面的先鋒群落依次為檜柏松林、黑櫟林、櫟—山核桃林所取代，最后發展成為穩定的山毛櫸—槭樹林群落。群落演替開始于極端干燥的沙丘上，最終形成次冷濕的群落環境，形成富有裸原腐殖質的土壤，土壤中出現了蝸牛和蚯蚓。整個演替過程進行的十分緩慢，據Olson（1958年）估計，從裸露的沙丘到穩定的森林群落（山毛櫸—槭樹林），大約經歷了1 000年的歷史。

頂極群落的穩度也存在差異，在高溫高濕的氣候條件下形成的熱帶雨林，由于濕度與溫度等氣候條件較適合動植物的生長發育，造成了動植物的種類繁多，營養結構復雜，其穩度最大。在低溫高濕的氣候條件下形成的北方針葉林，其穩度較熱帶雨林差。在缺水條件下形成的沙漠，由于動植物種類稀少，營養結構也單純，它的穩度最小，穩定性很容易遭到破壞。